借助Phyphox軟件 用手機(jī)做物理實(shí)驗(yàn)

(福建省泉州市城東中學(xué),福建 泉州 362000)

現(xiàn)在的智能手機(jī)除了常用的麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、相機(jī)、GPS，還自帶很多豐富的傳感器,如：壓力、光、加速度、濕度、磁力、距離、重力、溫度傳感器等。亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所開發(fā)的手機(jī)傳感器APP——Phyphox,充分利用了一些通用傳感器,開發(fā)了很多物理實(shí)驗(yàn)。本文簡單介紹該APP的使用,然后介紹幾個(gè)借助Phyphox做的物理實(shí)驗(yàn),供同行參考。

1 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

圖1

圖2

安裝Phyphox軟件到手機(jī)上，軟件打開頁面如圖1所示。第一欄為Raw Sensors(原始傳感器)菜單,有加速度(不含g)、加速度(含g)、陀螺儀、亮度、位置、磁力、壓力傳感器，再往下為聲學(xué)傳感器菜單,還有已經(jīng)開發(fā)好的力學(xué)類和工具類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。點(diǎn)擊菜單Acceleration (withoutg)進(jìn)去后如圖2,點(diǎn)擊小三角形按鈕,程序開始運(yùn)行。第二個(gè)按鈕是“刪除”按鈕，第三個(gè)按鈕是“更多選項(xiàng)設(shè)置”,點(diǎn)擊后,彈出菜單欄如圖3所示，在選項(xiàng)Allow remote access方框中打勾,下方彈出地址http://192.168.3.3:8080,在電腦瀏覽器菜單欄中輸入地址,這樣可以在電腦上控制手機(jī)的軟件，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。若變換傳感器,遠(yuǎn)程控制必須重新設(shè)置,電腦端彈出對話框確認(rèn)后才能再次控制。

圖3

2 用加速度傳感器做的實(shí)驗(yàn)

加速度傳感器有Acceleration(withoutg)和Acceleration withg,只提供加速度測量的原始數(shù)據(jù)。二者的區(qū)別是第一個(gè)不包含重力加速度g,手機(jī)靜置時(shí)的加速度顯示為0,第二個(gè)包含重力加速度,手機(jī)靜置時(shí)加速度顯示值當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎?如圖2),輸出數(shù)據(jù)會(huì)顯示三個(gè)方向的加速度,X方向?yàn)槭謾C(jī)長度方向,Y方向?yàn)槭謾C(jī)寬度方向,Z方向?yàn)榕c手機(jī)面垂直方向。下面列舉幾個(gè)Acceleration的應(yīng)用實(shí)例。

2.1 研究超重失重

人站立,手機(jī)平放在手上,打開軟件,點(diǎn)擊Acceleration(withoutg)運(yùn)行按鈕,下蹲,過一會(huì)再站起來。顯示數(shù)據(jù)如圖4所示,由于手會(huì)晃動(dòng),X軸和Y軸方向也有加速度,我們只分析Z軸方向,下蹲過程中加速度先為負(fù)值,后為正值,表示加速度先向下后向上,即手機(jī)先失重后超重;站起來的過程中加速度先為正后為負(fù),表示加速度先向上后向下,即手機(jī)先超重后失重。還可以將手機(jī)平放在電梯中的水平面上,讓電梯上升或下降,利用加速度傳感器就可以自動(dòng)記錄電梯的加速、減速過程。

圖4

2.2 研究自由落體運(yùn)動(dòng)

在地上放一塊軟墊,手機(jī)平放在手上離軟墊一定高度,打開軟件,點(diǎn)擊Acceleration withg運(yùn)行按鈕,放手,手機(jī)下落到軟墊上。截取Z軸的數(shù)據(jù)如圖5,容易看出放手前Z方向加速度約為9.8m/s2,下落過程中Z方向加速度為零,說明自由落體過程中手機(jī)處于完全失重狀態(tài)。落到軟墊上加速度突然增大后減小為9.8m/s2左右。

圖5

2.3 研究蹦極

將長橡皮筋一端固定在豎直墻面上,另一端與手機(jī)長端中點(diǎn)連接牢固,將手機(jī)拿到與橡皮筋固定端等高的位置(手機(jī)面與墻面平行),打開軟件,點(diǎn)擊Acceleration withg運(yùn)行按鈕,由靜止釋放手機(jī)。截取Y軸的數(shù)據(jù)如圖6。放手前Z方向加速度約為9.8m/s2,下落過程中Z方向加速度為零,說明自由落體過程中手機(jī)處于完全失重狀態(tài),橡皮筋繃緊后加速度逐漸增大,增大到最大后又減小。

圖6

3 用陀螺儀傳感器做的實(shí)驗(yàn)

Gyroscope(陀螺儀)傳感器會(huì)給出陀螺儀的原始數(shù)據(jù),角速度以rad/s為單位記錄。軟件還利用陀螺儀傳感器開發(fā)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn):Centripetal acceleration(向心加速度),使用陀螺儀和加速度計(jì)探測加速度和向心加速度的關(guān)系;Pendulum(擺),利用陀螺儀傳感器可測量單擺的頻率,從而測定重力加速度。

3.1 利用單擺測重力加速度

將細(xì)繩一端固定在豎直墻面上,另一端固定在手機(jī)上,讓手機(jī)面與墻面平行,做成一個(gè)擺。打開軟件,下拉菜單找到Mechanics下的Pendulum,讓手機(jī)偏離平衡位置一個(gè)小角度,點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕,放手后,軟件會(huì)根據(jù)陀螺儀測量的數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄單擺的周期和頻率。軟件設(shè)置了幾個(gè)功能,其中RESULTS欄目可以反饋單擺的周期和頻率;在G欄目中可以輸入擺長,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算重力加速度g;在LENGTH欄目中,默認(rèn)g值為9.81m/s2,系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出擺長。注意測量擺長時(shí),應(yīng)從懸點(diǎn)的位置測量到手機(jī)的中心。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7、8所示。

圖7

圖8

3.2 研究向心加速度與角速度的關(guān)系

將手機(jī)固定在一旋轉(zhuǎn)裝置上,打開軟件,下拉菜單找到Mechanics下的Centripetal Acceleration,點(diǎn)擊進(jìn)入后在“設(shè)置”中設(shè)置遠(yuǎn)程控制,在電腦瀏覽器中輸入地址,讓旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)起來,點(diǎn)擊“開始”按鈕,裝置轉(zhuǎn)一段時(shí)間后點(diǎn)擊“暫?！卑粹o,系統(tǒng)自動(dòng)記錄了向心加速度和角速度,并畫出角速度與加速度的關(guān)系圖線以及角速度的平方與加速度的關(guān)系圖線(如圖9)。容易看出：向心加速度a與角速度ω的平方成正比,由此可以驗(yàn)證向心加速度的公式a=ω2r。改變手機(jī)的旋轉(zhuǎn)半徑,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),則得到的a-ω2圖像的斜率不同。

圖9

4 結(jié)語

智能手機(jī)作為現(xiàn)代通信工具是把雙刃劍,有學(xué)生會(huì)迷戀手機(jī)游戲,所以很多學(xué)校干脆禁止學(xué)生帶智能手機(jī)到校。若能結(jié)合高中物理教學(xué)實(shí)際,借助Phyphox軟件將手機(jī)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,引導(dǎo)學(xué)生正確使用手機(jī),定能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,合理使用手機(jī)。